X 밴드 4채널 송수신 모듈의 소형화에 관한 연구

Abstract

송수신(T/R) 모듈은 배열의 빔 합성으로 TWTA (Traveling Wave Tube Amplifier)와 유사한 고출력을 획득하면서 TWTA 같은 중앙집중식 송신기 보다 신뢰성이 높고 기계적 빔 조향보다 기민성이 요구되는 능동 위상 배열 시스템의 핵심부품이다. 더욱이 항공기 탑재 레이더의 경우 낮은 레이더 유효 반사 단면적과 극도의 빔 기민성을 위해 AESA (Active Electrically Beam Steered Arrays) 에 대한 관심이 높아지고 있으며 송수신 모듈은 AESA의 핵심 구성품으로 중요한 위치를 차지한다. 현재 가장 널리 적용되고 있는 모듈구조는 Brick 형태로서 이를 소형화 하는 것은 전체 시스템 구성의 유연성을 확보할 수 있는 중요한 요소가 된다. 한편 MFC (Multi Function Chip) 는 Common leg 구조 및 디지털 변환기를 포함하는 MMIC로 송수신 모듈의 소형화를 위하여 사용된다. 본 논문에서는 소형화된 X 밴드 4채널 송수신 모듈을 실제 시스템에 적용 가능한 목표 성능을 선정하여 설계하였다. 소형화를 위해서 이득 Budget을 통하여 선정된 MMIC들은 하나의 유전체 기판위에 MCM (Multi Chip Module) 형태로 제작하였고 4개의 MCM에 전원과 제어신호를 공급하기 위한 회로는 단일화하여 설계 되었다. 이득 Budget 의 정확도를 높이기 위해 본딩 와이어의 손실을 EM 시뮬레이션을 통하여 예측 반영하였고 4 분배기 및 등화기와 같은 수동소자를 시뮬레이션을 통하여 설계하여 반영하였으며 구조적으로 발생하는 고주파신호의 수직 연결을 위해 EM 시뮬레이션을 통하여 검증한 후 반영하였다. 또한 적용된 MFC로 인하여 고밀도/고이득 T/R 집적회로에서 불가피하게 궤환 경로 발진이 발생하였다. 이를 방지하기 위해서 PA (Power Amplifier) 와 LNA (Low Noise Amplifier) 의 전원 바이어스 제어를 통한 해결 방법을 제안하였다. 결과적으로 X band에서 채널당 7 W 출력을 갖는 초소형 4채널 송수신 모듈을 구현하였다. 구현된 4채널 송수신 모듈은 높은 이득 (35dB 송신이득과 30dB 수신이득) 을 가지며 일반적인 MMIC와 바이어스 회로를 사용하는 모듈에 비하여 약 50% 크기(140×80×16㎣) 로 소형화되었다.